Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 8: Biến đổi AD và DA
_ Chương Biến đổi AD & DA VIII - Ò CHƯƠNG : BIẾN ĐỔI AD & DA BẾN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ (DAC) ♦ DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác ♦ DAC dùng mạng điện trở hình thang ♦ DAC dùng nguồn dịng có trọng lượng khác ♦ Đặc tính kỹ thuật DAC BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ (ADC) ♦ Mạch lấy mẫu giữ ♦ Nguyên tắc mạch ADC ♦ ADC dùng điện tham chiếu nấc thang ♦ ADC gần ♦ ADC dốc đơn ♦ ADC tích phân ♦ ADC lưỡng cực ♦ ADC song song _ _ Có thể nói biến đổi qua lại tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số cần thiết vì: - Hệ thống số xử lý tín hiệu số mà tín hiệu tự nhiên tín hiệu tương tự: cần thiết có mạch đổi tương tự sang số - Kết từ hệ thống số đại lượng số: cần thiết phải đổi thành tín hiệu tương tự để tác động vào hệ thống vật lý thể bên ngồi (thí dụ tái tạo âm hay hình ảnh) hay dùng vào việc điều khiển sau (thí dụ dùng điện tương tự để điều khiển vận tốc động cơ) 8.1 Biến đổi số - tương tự (digital to analog converter, ADC) 8.1.1 Mạch biến đổi DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác (Weighted resistor network) (H 8.1) _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - Trong mạch trên, thay OP-AMP điện trở tải, ta có tín hiệu dịng điện Như OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện thành điện ra, đồng thời mạch cộng Ta có v0 = -RF.I = -(23b3 + 22b2 + 2b1+b0)Vr.RF/23R = -(2n-1 bn-1 + 2n-2 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr.RF /2n-1.R Nếu RF = R thì: v0 =-(2n-1 bn-1 + 2n-2 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr /2n-1 Thí dụ: 1/ Khi số nhị phân 0000 v0 = 1111 v0 = -15Vr / 2/ Với Vr = 5V ; R = RF = 1kΩ Ta có kết chuyển đổi sau: b3 0 0 0 0 1 1 1 1 b2 0 0 1 1 0 0 1 1 b1 0 1 0 1 0 1 0 1 b0 1 1 1 1 v0 (V) -0,625 ← LSB -1,250 -1,875 -2.500 -3,125 -3,750 -4,375 -5,000 -5,625 -6,250 -6,875 -7,500 -8,125 -8,750 -9,375 ← Full Scale (VFS) Mạch có số hạn chế: - Sự xác tùy thuộc vào điện trở mức độ ổn định nguồn tham chiếu Vr - Với số nhị phân nhiều bit cần điện trở có giá trị lớn, khó thực 8.1.2 Mạch đổi DAC dùng mạng điện trở hình thang (H 8.2) Cho RF = 2R Cho b3 = bit khác = 0, ta được: v0 = -8(Vr /24) _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - Cho b2 = bit khác = 0, ta được: v0 = -4(Vr /24) Cho b1 = bit khác = 0, ta được: v0 = -2(Vr /24) Cho b0 = bit khác = 0, ta được: v0 = - (Vr /24) Ta thấy v0 tỉ lệ với giá trị B tổ hợp bit B = (b3 b2 b1 b0 )2 ⇒ v0 = -B(Vr /24) 8.1.3 Mạch đổi DAC dùng nguồn dịng có trọng lượng khác (H 8.3) 8.1.4 Đặc tính kỹ thuật mạch đổi DAC 8.1.4.1 Bit có ý nghĩa thấp (LSB) bit có ý nghĩa cao (MSB) Qua mạch biến đổi DAC kể ta thấy vị trí khác bit số nhị phân cho giá trị biến đổi khác nhau, nói cách khác trị biến đổi bit tùy thuộc vào trọng lượng bit Nếu ta gọi trị tồn giai VFS bit LSB có giá trị là: LSB = VFS / (2n - 1) bit MSB = VFS 2n-1/ (2n - 1) Điều thể kết thí dụ (H 8.4) đặc tuyến chuyển đổi số nhị phân bit (a) (b) (H 8.4) (H 8.4a) đặc tuyến lý tưởng, nhiên, thực tế để đường trung bình đặc tính chuyển đổi qua điểm điện tương tự làm lệch (1/2)LSB (H 8.4b) Như điện tương tự xem thay đổi hai mã số nhị phân vào kế Thí _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - dụ mã số nhị phân vào 000 điện tương tự điện tương tự lên nấc kế 000+(1/2)LSB nấc 001+(1/2)LSB.v.v Trị tương tự ứng với 001 gọi tắt 1LSB trị toàn giai VFS = 7LSB tương ứng với số 111 8.1.4.2 Sai số nguyên lượng hóa (quantization error) Trong biến đổi, ta thấy ứng với giá trị nhị phân vào, ta có khoảng điện tương tự Như có sai số biến đổi gọi sai số nguyên lượng hóa =(1/2)LSB 8.1.4.3 Độ phân giải (resolution) Độ phân giải hiểu giá trị thay đổi nhỏ tín hiệu tương tự có số nhị phân vào thay đổi Độ phân giải gọi trị bước (step size) trọng lượng bit LSB Số nhị phân n bit có 2n giá trị 2n - bước Hiệu tương tự xác định v0 = k.(B)2 Trong k độ phân giải (B)2 số nhị phân Người ta thường tính phần trăm phân giải: %res = (k / VFS)100 % Với số nhị phân n bit %res = [1 / (2n - 1)]100 % Các nhà sản xuất thường dùng số bit số nhị phân biến đổi để độ phân giải Số bit lớn độ phân giải cao (finer resolution) 8.1.4.4 Độ tuyến tính (linearity) Khi điện tương tự thay đổi với số nhị phân vào ta nói mạch biến đổi có tính tuyến tính 8.1.4.5 Độ (accuracy) Độ (cịn gọi độ xác) tuyệt đối DAC hiệu số điện tương tự điện lý thuyết tương ứng với mã số nhị phân vào Hai số nhị phân kế phải cho hai điện tương tự khác 1LSB, không mạch tuyến tính khơng (H 8.5) a/ Tuyến tính b/ Tuyến tính khơng (H 8.5) _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - 8.2 Biến đổi tương tự - số (analog to digital converter, ADC) 8.2.1 Mạch lấy mẫu giữ (sample anh hold) Để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta biến đổi giá trị tín hiệu tương tự mà biến đổi số gía trị cụ thể cách lấy mẫu tín hiệu theo chu kỳ xác định nhờ tín hiệu có dạng xung Ngồi ra, mạch biến đổi cần khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1µs - 1ms) cần giữ mức tín hiệu biến đổi khoảng thời gian để mạch thực việc biến đổi xác Đó nhiệm vụ mạch lấy mẫu giữ (H 8.6) dạng mạch lấy mẫu giữ bản: Điện tương tự cần biến đổi lấy mẫu thời gian ngắn tụ nạp điện nhanh qua tổng trở thấp OP-AMP transistor dẫn giữ giá trị khoảng thời gian transistor ngưng (tụ phóng chậm qua tổng trở vào lớn OP-AMP) (H 8.6) 8.2.2 Nguyên tắc mạch biến đổi ADC Mạch biến đổi ADC gồm phận trung tâm mạch so sánh (H 8.7) Điện tương tự chưa biết va áp vào ngã vào mạch so sánh, ngã vào nối đến điện tham chiếu thay đổi theo thời gian Vr(t) Khi chuyển đổi điện tham chiếu tăng theo thời gian gần với điện tương tự (với sai số nguyên lượng hóa) Lúc mạch tạo mã số có giá trị ứng với điện vào chưa biết Vậy nhiệm vụ mạch tạo mã số thử số nhị phân cho hiệu số va trị nguyên lượng hóa sau nhỏ 1/2 LSB |va - (VFS / 2n - 1)(B)2 | < 1/2 LSB (H 8.7) _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - 8.2.3 Mạch đổi dùng điện tham chiếu nấc thang (a) (H 8.8) (b) Một cách đơn giản để tạo điện tham chiếu có dạng nấc thang dùng mạch DAC mà số nhị phân vào lấy từ mạch đếm lên (H 8.8) Khi có xung bắt đầu FlipFlop mạch đếm đặt nên ngã Q FF lên 1, mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm Ngã mạch đếm tăng dần theo dạng nấc thang (VDAC), điện tham chiếu, Vr nhỏ va, ngã mạch so sánh mức thấp Q tiếp tục mức cao, Vr vùa vượt va ngã mạch so sánh lên cao khiến Q xuống thấp, đóng cổng AND khơng cho xung CK qua mạch đếm ngưng Đồng thời ngã Q lên cao báo kết thúc chuyển đổi Số đếm mạch đếm số nhị phân tương ứng với điện vào Gọi thời gian chuyển đổi tc Thời gian chuyển đổi tùy thuộc điện cần chuyển đổi Thời gian lâu ứng với điện vào trị toàn giai: tc(max) = 2n / fCK=2n TCK Mạch đổi có tốc độ chậm Một cách cải tiến thay mạch đếm lên mạch đếm lên/xuống (H 8.9) Nếu ngã mạch so sánh cho thấy Vr nhỏ va, mạch Logic điều khiển đếm lên ngược lai mạch đếm xuống Nếu va không đổi Vr dao động quanh trị va với hai trị số khác LSB (H 8.9) _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - 8.2.4 Mạch đổi lấy gần (sucessive approximation converter) (H 8.10) Mạch đổi lấy gần dùng cách tạo điện tham chiếu cách có hiệu khiến việc chuyển đổi mã số n bit tốn n chu kỳ xung CK Mạch bao gồm: mạch so sánh, mạch ghi dịch đặc biệt (SAR) mạch DAC (H 8.11) (H 8.11) Mạch SAR (H 8.11) mạch ghi dịch có kết hợp điều khiển Logic Mạch gồm FF D mắc thành chuỗi, ngã FF cuối (F) hồi tiếp FF đầu (A) , khối điều khiển gồm cổng AND FF RS có ngã vào tác động mức cao, ngã Q FF RS đưa vào mạch DAC để tạo điện tương tự Vr (dùng so sánh với điện từ mạch lấy mẫu giữ va), đồng thới mã số biến đổi kết thúc _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - Vận hành: Lúc có xung bắt đầu, mạch SAR đặt Ngã DAC làm lệch 1/2 LSB để tạo đặc tính chuyển đổi nói phần trước, kế SAR đưa bit MSB lên cao (bằng cách preset FF A), bit khác 0, số đưa vào mạch DAC để tạo điện tham chiếu Vr để so sánh với va Tùy theo kết so sánh, Vr > va ngã mạch so sánh mức cao khiến SAR bỏ bit MSB có xung CK xuất hiện, cịn Vr < va ngã mạch so sánh mức thấp, khiến SAR giữ bit MSB lại (FF RS giữ nguyên trạng thái) đồng thời đưa bit có nghĩa lên cao (do FF set từ giá trị ngã FF B, trị chuyển từ FF A sang) Mạch so sánh tiếp tục làm việc kết định theo cách thức bit MSB Tiếp tục bit cuối SAR, lúc va gần Vr ta kết chuyển đổi thời gian tối đa n chu kỳ xung đồng hồ Mạch chuyển đổi chấm dứt ngã FF F lên mức cao cho phép mở đệm mã số 8.2.5 Mạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn (single ramp converter) Điện chuẩn nấc tạo mạch DAC thay điện tham chiếu có dốc lên liên tục tạo mạch tạo tín hiệu dốc lên (thường mạch tích phân) (H 8.12) Xung bắt đầu đặt mạch đếm n bit khởi động mạch tạo dốc lên để tạo Vr, từ trị âm, Vr cắt trục ngã mạch so sánh lên cao mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm Khi đường dốc đạt trị số trị tương tự cần biến đổi ngã mạch so sánh lên cao đưa ngã Q FF xuống thấp, cổng AND đóng kết thúc chuyển đổi Số đếm mạch đếm tỷ lệ với điện tương tự vào Mạch có khuyết điểm độ dốc Vr tùy thuộc thơng số RC mạch tích phân nên khơng xác _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - (H 8.13) 8.2.6 Mạch đổi lấy tích phân (Integrating Converter) (H 8.14) Mạch giải khuyết điểm mạch biến đổi dùng tín hiệu dốc đơn, nghĩa độ xác khơng tùy thuộc RC Xung bắt đầu đưa mạch đếm 0, mạch điều khiển mở khóa S3 mạch tích phân, đóng khóa S1 để đưa tín hiệu tương tự va (giả sử âm) vào mạch tích phân đồng thời mở khóa S2 Ngã mạch tích phân có trị âm nhỏ ban đầu Tín hiệu tương tự vào lấy tích phân, độ dốc -va /RC Khi ngã mạch tích phân vượt trục 0, ngã mạch so sánh lên cao mở cổng _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - 10 AND đưa xung CK vào mạch đếm Không kể lượng lệch âm ban đầu, hiệu ngã mạch tích phân là: VI(t) = ∫ − va dt RC Giả sử va không đổi thời gian chuyển đổi VI(t) = -(va.t /RC) Nếu va âm ngã mạch tích phân đường dốc lên Khi mạch đếm tràn (tức đếm hết dung lượng tự động quay 0) mạch Logic điều khiển mở khóa S1 đóng khóa S2 đưa điện tham chiếu Vr (dương) đến mạch lấy tích phân Ngã mạch tích phân đường dốc xuống với độ dốc -Vr /RC Khi VI xuống 0, mạch so sánh xuống thấp đóng cổng AND kết thúc trình biến đổi Số đếm sau mạch đếm tỷ lệ với điện tương tự vào Giả sử RC không đổi q trình biến đổi, tích phân thời gian t1 tích phân thời gian t2 nên ta có: | va | t1 = Vr.t2 t1 thời gian đếm từ tràn nên t1 = 2n / fCK t2 = N / fCK N số đếm sau Tóm lại ta thấy số đếm không phụ thuộc RC (H 8.15) 8.2.7 Mạch đổi lưỡng cực Một cách đơn giản để thực chuyển đổi tín hiệu tương tự lưỡng cực dùng mạch đảo tương tự mạch so sánh để xác định va âm hay dương để đảo hay không trước đưa vào mạch ADC đơn cực (H 8.16) _ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ _ Chương Biến đổi AD & DA VIII - 11 (H 8.16) 8.2.8 Mạch đổi song song (parallel hay flash conversion) Đây mạch đổi có tốc độ chuyển đổi nhanh, đạt vài triệu lần giây, áp dụng vào việc chuyển đổi tín hiệu hình kỹ thuật video Thí dụ để có mạch đổi bit, người ta dùng mạch so sánh ngã vào mạch mã hóa ưu tiên để tạo mã số nhị phân ngã (H 8.17) - Khi va < Vr /10, ngã mạch so sánh lên cao khiến mã số 000 - Khi Vr /10